劉錫堯 袁威

摘 要：地鐵車輛自主輔助電源系統(tǒng)在我國經(jīng)過多年的研究和考核應(yīng)用，技術(shù)模式與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國際接軌，實(shí)現(xiàn)了工程化、產(chǎn)業(yè)化。自主輔助電源系統(tǒng)的研究需要適應(yīng)地鐵發(fā)展的需要，不斷提高其性能及可靠性，為地鐵用戶提供更加高效、節(jié)能環(huán)保、高質(zhì)的系統(tǒng)和產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；輔助電源；節(jié)能

輔助電源系統(tǒng)是車輛牽引控制系統(tǒng)的重要組成部分。SIV為車輛客室空調(diào)機(jī)組及通風(fēng)裝置、空壓機(jī)、電加熱器、交流照明等交流負(fù)載提供三相與單相交流電源；充電機(jī)為車載各系統(tǒng)控制電路、直流照明、電動車門及車載信號與通信設(shè)備提供直流電源并給蓄電池組充電。輔助電源系統(tǒng)工作的安全性、可靠性對車輛正常運(yùn)營具有重要影響。在車輛設(shè)計(jì)的前期就需要對系統(tǒng)的構(gòu)成、容量范圍、功能與性能要求等進(jìn)行計(jì)算、分析和對比，選擇合適的系統(tǒng)及設(shè)備、合適的參數(shù)來構(gòu)成最優(yōu)的輔助供電系統(tǒng)，滿足車輛運(yùn)營要求、降低系統(tǒng)的全壽命周期成本。

1、直接逆變方式

直接逆變輔助電源電路結(jié)構(gòu)原理是地鐵車輛輔助逆變電源最簡單的基本電路結(jié)構(gòu)形式。開關(guān)元器件通?？刹捎么蠊β蔊TO，IGBT或IPM。輔助逆變電源采用直接從第三供電軌受流方式，逆變器按V/f等于常數(shù)的控制方式，輸出三相脈寬調(diào)制電壓向負(fù)載供電。這種電路的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件使用數(shù)量少、控制方便，但缺點(diǎn)是逆變器電源輸出電壓容易受電網(wǎng)輸入電壓的波動影響，輸入與輸出不隔離，輸出的電壓品質(zhì)因數(shù)差、諧波含量大、負(fù)載使用效率低。

2、斬波降壓逆變方式

斬波降壓加逆變方式的輔助電源電路結(jié)構(gòu)主要由單管DC/DC斬波器、二點(diǎn)式逆變器、三相濾波器、隔離變壓器和整流電路組成。逆變器輸出經(jīng)過三相濾波后，輸出穩(wěn)定的正弦三相交流電壓，作為驅(qū)動空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)等三相交流負(fù)載電源，同時(shí)三相交流電壓經(jīng)變壓器和整流后，可實(shí)現(xiàn)電源的多路直流輸出。其特點(diǎn)如下。三相逆變器輸出電壓不受輸入電網(wǎng)電壓波動的影響，DC/DC斬波的閉環(huán)控制可以保持逆變器輸入電壓的恒定。每臺輔助逆變電源斬波器只需一只大功率高壓IGBT元件，逆變器可以采用較低電壓的IGPT元件。由于逆變器輸入電壓恒定，對于只要求#+#，控制的逆變器來說，只需要一定數(shù)量的梯波輸出，即可保證逆變器輸出穩(wěn)定的脈寬調(diào)制電壓，諧波含量小于5%。斬波器分散布置在每臺車的電源上，機(jī)組結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。對于供電網(wǎng)，雖然每臺電源斬波的開關(guān)頻率相同，但它們之間的斬波相位差是隨機(jī)的，同樣可實(shí)現(xiàn)斬波器多相多重?cái)夭ㄗ饔?。隔離變壓器的使用實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)輸入與輸出負(fù)載之間的電氣隔離。（圖一）

3、兩重?cái)夭ń祲耗孀兎绞?/p>

與單管直接DC/DC斬波降壓逆變方式的輔助電源電路基本相同，兩重?cái)夭ㄆ魈娲薉C/DC單管斬波器，開關(guān)元器件可采用GTO或IGBT。其特點(diǎn)是采用兩重?cái)夭ㄆ?，?dāng)上、下兩個(gè)斬波器控制相位互相錯開180°時(shí)，可以使斬波器的開關(guān)頻率相應(yīng)提高一倍，因而可大大減小濾波裝置的體積和重量，降低逆變器中間直流環(huán)節(jié)電壓的脈動量，提高輔助逆變電源的抗干擾能力。兩重?cái)夭ㄆ鏖]環(huán)控制起到了穩(wěn)壓和變壓作用，因此可提高逆變器的輸出效率。兩重DC/DC斬波器與單管斬波器相比，開關(guān)元器件和斬波器的附件多了一倍，但管子的耐壓可降低一半，提高了元件的使用裕度和設(shè)備的安全可靠性。直流供電網(wǎng)與負(fù)載之間的變壓器隔離以及相應(yīng)設(shè)計(jì)的濾波器，可以保證逆變器輸出的三相交流電壓諧波最小，且可降低對負(fù)載過充電壓的影響，提高負(fù)載的使用壽命。

4、升降壓斬波逆變方式

升降壓斬波加逆變的地鐵輔助電源的前級斬波是由一個(gè)平波電抗器及兩個(gè)開關(guān)管、二極管和儲能電抗器構(gòu)成，升降壓斬波器本質(zhì)上相當(dāng)于兩相DC/DC直流變換器，控制系統(tǒng)采用PWM控制方式。兩個(gè)開關(guān)管交替通斷，按輸出電壓適當(dāng)?shù)乜刂泼}沖寬度，可以獲得與輸入電壓相反的恒定直流輸出電壓。后級逆變輸出由兩點(diǎn)式三相逆變器和三相濾波器組成。斬波器和逆變器開關(guān)元器件可采用GTO或IGBT，IPM等。此電路的特點(diǎn)是：電網(wǎng)電壓的波動不影響斬波器輸出電壓的恒定穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓高于斬波器輸出電壓時(shí)，斬波器按降壓斬波控制方式工作；當(dāng)電網(wǎng)電壓低于斬波器輸出電壓時(shí)，斬波器按升壓斬波控制方式工作。兩個(gè)開關(guān)管的交替導(dǎo)通和關(guān)斷，提高了斬波開關(guān)頻率，降低了儲能電抗器體積和容量以及開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，減小了輸出電壓的脈動量。

綜上所述，采用靜止輔助逆變電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)組供電裝置，已是地鐵與輕軌城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢。靜止輔助逆變電源方案的選擇，應(yīng)結(jié)合國內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展、元器件的使用水平以及國外地鐵電動車組輔助逆變電源的發(fā)展方向，研制和開發(fā)出適合我國城市軌道交通地鐵和輕軌車輛的輔助逆變供電系統(tǒng)。地鐵靜止輔助逆變電源的研制成功標(biāo)志著我們已具備了開發(fā)和生產(chǎn)國產(chǎn)化地鐵輔助電源的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李紅，自然采樣逆變電源的諧波分析及抑制策略[J]，電網(wǎng)技術(shù)，2011

[2]左鵬升壓變換器非線性輸出反饋控制[J]，中國鐵道科學(xué)，2013